本發明涉及納米材料制備與化學設備技術領域，尤其涉及一種多層二維材料異質結的制備方法及裝置。

背景技術：

石墨烯作為近年來最火的二維材料，對于它的研究從它被成功剝離出來已經持續了十余年。石墨烯是一種由碳原子以sp²雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜，它具有很多優良的特性，比如超高的電子遷移率，超高的抗拉強度和彈性模量，超高的電熱性能，以及近似透明。但是近年來的研究發現，對于單一的石墨烯材料，其應用范圍太窄，如果能將其與別的材料復合，將會出現很多新奇的現象。

六方氮化硼作為“白石墨烯”，近年來受到了很多研究小組的關注。它具有類似石墨烯的層狀結構，但是是一種絕緣材料，其能帶寬度達到5.9ev。由于其沒有懸掛鍵且二維層狀材料具有原子尺度平滑的特性，使得它成為了石墨烯器件非常理想的襯底。

將石墨烯與六方氮化硼生長在一起成為異質結，目前還有許多困難，制備方法目前還是cvd(化學氣相沉積)為主。但是由于生長這兩種二維材料都需要合適的催化劑(銅，鎳等金屬)作為生長基底來降低生長溫度，所以催化劑對于生長至關重要。但是在生長完第一層材料之后，基底就被材料覆蓋，從而失去了催化作用，這使得生長第二層異質結材料時非常困難。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明第一方面提供一種用于制備多層二維材料異質結的裝置，所述裝置包括：

1)cvd生長腔室，所述腔室底部載有基底銅箔，基底銅箔上方設有加熱裝置，從而在基底銅箔和加熱裝置之間形成高溫生長區；

2)傳動裝置，所述傳動裝置設置在所述cvd生長腔室內，所述傳動裝置包括步進電機和傳送帶，所述傳送帶表面包裹有銅箔；

其中，所述傳送帶與所述步進電機通過連接機構連接，包裹有銅箔的傳送帶穿過所述高溫生長區。

在優選的實施方案中，所述傳送帶在步進電機的控制下旋轉，且旋轉速度可控。

在優選的實施方案中，所述銅箔厚度均為15-40μm，優選25μm。

在優選的實施方案中，在所述高溫生長區中，所述傳送帶與所述基底銅箔垂直距離為2-10mm，優選5mm。

在優選的實施方案中，所述傳送帶為圓環狀。

本發明的裝置還包括用于通入生長六方氮化硼所需的前驅體和生長石墨烯所需的碳源的入口。

本發明的第二個方面提供一種多層二維材料異質結的制備方法，主要包括以下步驟：

1)將基底銅箔載入到cvd生長腔室，升溫到生長溫度；

2)向cvd生長腔室通入生長六方氮化硼所需的前驅體，沉積到整個銅箔表面生長六方氮化硼薄膜；

3)停止向cvd生長腔室通入生長六方氮化硼所需的前驅體，利用傳動裝置將新銅箔緩慢移入到高溫生長區，使其正對步驟2)生長的六方氮化硼薄膜；

4)向cvd生長腔室通入生長石墨烯所需的碳源，沉積到石墨烯覆蓋整個六方氮化硼薄膜表面；

5)停止向cvd生長腔室供應生長石墨烯所需的碳源，同時供應生長六方氮化硼所需的前驅體，通過傳動裝置將新銅箔引入到高溫生長區域，在石墨烯表面形成六方氮化硼薄膜；

6)重復步驟2)至步驟5)，得到多層六方氮化硼/石墨烯/六方氮化硼異質結。

在優選的實施方案中，所述cvd生長腔室為真空，優選為高真空。

在優選的實施方案中，所述cvd生長腔室為冷壁系統。

在優選的實施方案中，所述生長石墨烯所需的碳源選自乙烯、乙醇、甲烷，優選是甲烷。

在優選的實施方案中，所述六方氮化硼所需的前驅體選自固體源氨硼烷，環硼氮烷，優選是環硼氮烷。

在優選的實施方案中，步驟2)中的生長的時間為30-50分鐘，優選40分鐘。

在優選的實施方案中，所述生長溫度，即高溫生長區內的溫度為800-1200℃，優選1000℃。

本發明的方法中，新銅箔通過傳動裝置不斷引入到高溫生長區域，在高溫下將產生銅蒸汽，并且由該蒸汽作為催化劑，極大地降低了前驅體脫氫所需要的能量。

由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明提供了一種cvd生長二維材料異質結的解決方案，該方案可以實現原位生長，不用反復填裝，并且在原理上可以實現任意多層材料的生長。

附圖說明

圖1為本發明的方法的流程圖。

圖2為本發明的傳動裝置的示意圖

其中，1是傳動裝置，2是傳送帶，3是加熱裝置，4是基底銅箔。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明進行進一步說明。

本發明主要描述利用懸浮于生長基底之上的銅箔作為催化劑，使得在失去催化作用的生長基底上生長出第二層，第三層，甚至任意層材料，從而形成二維材料異質結。

本發明方法包括如下步驟：

步驟1：將基底銅箔載入到cvd生長腔室，將腔體抽真空。升溫到生長溫度。

步驟2：通入生長六方氮化硼所需的前驅體，沉積一段時間，使得六方氮化硼長滿整個銅箔表面。

步驟3：停止供應六方氮化硼的前驅體，通過傳動裝置，將新銅箔緩慢移入到高溫生長區，使其正對著長滿的六方氮化硼薄膜。

步驟4：通入生長石墨烯所需要的碳源(甲烷)，反應沉積一段時間。使得石墨烯覆蓋整個六方氮化硼薄膜表面。

步驟5：停止供應碳源，切換到供應六方氮化硼前驅體，新銅箔通過傳動裝置不斷引入到高溫生長區域，因為有正上方銅蒸汽的催化作用，六方氮化硼可以在石墨烯表面成核最終形成薄膜。

步驟6：重復步驟2至步驟5的過程，可以得到多層六方氮化硼/石墨烯/六方氮化硼異質結樣品。

根據本發明，所述用于制備多層二維材料異質結的裝置如圖2所示，所述裝置包括：

1)cvd生長腔室，所述腔室底部載有基底銅箔，基底銅箔上方設有加熱裝置，從而在基底銅箔和加熱裝置之間形成高溫生長區；

2)傳動裝置，所述傳動裝置設置在所述cvd生長腔室內，包括步進電機和傳送帶，所述傳送帶表面包裹有銅箔；

其中，所述傳送帶與所述步進電機通過連接機構連接，從而所述傳送帶在步進電機的控制下旋轉，包裹有銅箔的傳送帶穿過所述高溫生長區。

實施例1

生長多層二維材料異質結流程圖如附圖1所示：首先將基底銅箔載入到cvd生長腔室，將腔體抽到高真空，升溫到生長溫度1000℃。因為是采用冷壁系統，所以高溫區域只會限制在很小的區域。這樣的冷壁系統有很好的抑制粉塵污染作用。升溫到生長溫度之后，進行2小時的退火工藝。然后引入環硼氮烷在基底銅箔上進行第一層六方氮化硼的生長，生長時間大約為40分鐘。生長第一層材料時，基底銅完全可以起到催化劑的作用，不需要引入懸浮銅箔。在生長第一層完成后，基底銅箔因為完全被六方氮化硼覆蓋，已經失去了催化劑的功能，而后續要生長的材料，非常依賴于催化劑，所以在生長第二層材料之前，利用本發明的傳動裝置，將懸浮于基底銅箔的上方5mm的銅箔圓環帶緩慢地傳送進高溫反應區。引入高溫區的懸浮銅箔在生長溫度1000℃下，會因為溫度臨近于銅的熔點蒸發出銅蒸汽，這些銅蒸汽可以作為氣態的催化劑，對后續的材料生長起到很好的催化作用。甲烷在氣態催化劑的作用下充分裂解，不僅在懸浮銅箔上會有石墨烯生成，在基底銅箔上，也會有石墨烯沉積。在基底銅箔沉積完第二層石墨烯后，關閉甲烷進氣，并將懸浮銅箔緩慢移動，將生長了石墨烯的懸浮銅箔完全移出高溫反應區。進行腔體吹掃之后，開始引入六方氮化硼前驅體環硼氮烷。同樣通過傳動裝置將沒有長材料的銅箔傳入到高溫反應區，利用銅蒸汽進行第三層的六方氮化硼薄膜生長。經過一段時間生長之后懸浮銅箔和基底銅箔上都生長上了一層六方氮化硼。經過吹掃后，就可以繼續生長。重復上述的步驟，可以生長任意多層的異質結。